Америций-241

америций-241, ²⁴¹ Являюсь

Маленькая кнопка, содержащая 241 Являюсь ТО 2 от дымовой сигнализации
Общий
Символ	241 Являюсь
Имена	америций-241, 241Ам, Ам-241
Протоны ( С )	95
Нейтроны ( Н )	146
Данные о нуклидах
Природное изобилие	0 ( синтетический )
Период полураспада ( т 1/2 )	432,6 ± 0,6 года
масса изотопа	241.056 8273 (12) И
Вращаться	5/2−
Избыточная энергия	52 934 .3 ± 1.1 кэВ
Энергия связи	7 543 .2795(46) кэВ
Родительские изотопы	241 Pu ( β − ) 241 См ( ЕС ) 245 Бк ( а )
Продукты распада	237 Например
Режимы затухания
Режим затухания	Энергия распада ( МэВ )
α-распад (альфа)	5.486
γ-излучение (гамма)	0.0595409
CD (распад кластера)	93.923
Изотопы америция Полная таблица нуклидов

Америций-241 ( ²⁴¹
Являюсь
, Am-241 ) — изотоп америция . Как и все изотопы америция, он радиоактивен , с периодом 432,2 полураспада года . ²⁴¹
Являюсь
является наиболее распространенным изотопом америция , а также наиболее распространенным изотопом америция в ядерных отходах . Он обычно встречается в детекторах дыма ионизационного типа и является потенциальным топливом для радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ) с длительным сроком службы. Его общие родительские нуклиды - β ⁻ от ²⁴¹
Мог
, ЕС из ²⁴¹
См
, и α из ²⁴⁵
Бк
. ²⁴¹
Являюсь
не делящийся , но расщепляющийся , критическая масса голой сферы составляет 57,6–75,6 кг (127,0–166,7 фунта), а диаметр сферы 19–21 сантиметр (7,5–8,3 дюйма). Америций-241 имеет удельную активность 3,43 Ки / г (126,91 ГБк /г). Обычно он встречается в форме диоксида америция-241 ( ²⁴¹
Являюсь
ТО
₂ ). Этот изотоп также имеет одно метасостояние , ^{241 м}
Являюсь
, с энергией возбуждения 2,2 МэВ (0,35 пДж ) и периодом 1,23 полураспада мкс . Наличие америция-241 в плутонии определяется исходной концентрацией плутония-241 и возрастом образца. Из-за низкого проникновения альфа-излучения америций-241 представляет опасность для здоровья только при проглатывании или вдыхании. Старые образцы, содержащие плутоний ²⁴¹
Мог
содержать накопление ²⁴¹
Являюсь
. химическое удаление америция-241 из переработанного плутония (например, при переработке плутониевых ям В некоторых случаях может потребоваться ).

Нуклеосинтез

Америций-241 производился в небольших количествах в ядерных реакторах на протяжении десятилетий, и многие килограммы ²⁴¹
Являюсь
уже накопились. Тем не менее, поскольку впервые он был выставлен на продажу в 1962 году, его цена составляла около 1500 долларов США за грамм. ²⁴¹
Являюсь
, остается практически неизменным из-за очень сложной процедуры разделения.

Америций-241 синтезируется не напрямую из урана – наиболее распространенного реакторного материала – а из изотопа плутония. ²³⁹
Мог
. Последний необходимо произвести в первую очередь в соответствии со следующим ядерным процессом:

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu}$

Захват двух нейтронов ²³⁹
Мог
(так называемая (n,γ)-реакция), за которым следует β-распад, приводит к ²⁴¹
Являюсь
:

$\mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {2~(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14.35\ yr}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am}$

Плутоний, присутствующий в отработавшем ядерном топливе, содержит около 12% ²⁴¹
Мог
. Потому что он преобразуется в ²⁴¹
Являюсь
, ²⁴¹
Мог
могут быть извлечены и использованы для создания дальнейших ²⁴¹
Являюсь
. Однако этот процесс происходит довольно медленно: половина исходного количества ²⁴¹
Мог
распадается на ²⁴¹
Являюсь
примерно через 14 лет, и ²⁴¹
Являюсь
Сумма достигает максимума после 70 лет.

Полученный ²⁴¹
Являюсь
может быть использован для получения более тяжелых изотопов америция путем дальнейшего захвата нейтронов внутри ядерного реактора. В легководном реакторе (LWR) 79% нейтронов захватывается на ²⁴¹
Являюсь
конвертировать в ²⁴²
Являюсь
и 10% к его ядерному изомеру ^{242 м}
Являюсь
:

79%:   $\mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am}$

Разлагаться

Основная статья: Радиоактивный распад

Америций-241 распадается в основном посредством альфа-распада со слабым побочным продуктом гамма-излучения . α-распад проявляется следующим образом:

$\mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np~+~_{2}^{4}\alpha ^{2+}+\gamma ~59.5409~keV}$

Энергии α-распада составляют 5,486 МэВ (0,8790 пДж) для 85% времени (широко принятое для стандартной энергии α-распада), 5,443 МэВ (0,8721 пДж) для 13% времени и 5,388 МэВ ( 0,8633 пДж) для оставшихся 2%. Энергия γ-лучей по большей части составляет 59,5409 кэВ (9,53950 фДж), с небольшим количеством других энергий, таких как 13,9 кэВ (2,23 фДж), 17,8 кэВ (2,85 фДж) и 26,4 кэВ (4,23 фДж).

Второй наиболее распространенный тип распада, которому подвергается америций-241, — это спонтанное деление со степенью ветвления 3,6×10. ⁻¹² и происходит 1,2 раза в секунду на грамм ²⁴¹
Являюсь
. Записывается так (звездочкой обозначено возбужденное ядро):

$\mathrm {^{241}_{\ 95}Am\longrightarrow ~_{\ 95}^{241}Am^{*}\longrightarrow 3_{0}^{1}n~+~fission~products~+energy~(\gamma )}$

Наименее распространенный (самый редкий) тип распада америция-241 — это ³⁴
И
распад кластера с коэффициентом ветвления менее 7,4×10 ⁻¹⁶ . Написано следующее:

$\mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\longrightarrow _{\ 81}^{207}Tl+_{14}^{34}Si}$

Приложения

Детектор дыма ионизационного типа

Основная статья: Детектор дыма

Америций-241 — единственный синтетический изотоп, который нашел применение в домашнем хозяйстве, где наиболее распространенный тип детектора дыма (ионизационного типа) использует ²⁴¹
Являюсь
ТО
₂ (диоксид америция-241) в качестве источника ионизирующего излучения . Этот изотоп предпочтительнее ²²⁶
Солнце
потому что он излучает в 5   раз больше альфа-частиц и относительно мало вредного гамма-излучения. При периоде полураспада 432,2 года америций в детекторе дыма уменьшается и включает около 3% нептуния через 19 лет и около 5% через 32 года . Количество америция в типичном новом детекторе дыма составляет 0,29 микрограмма (4,5 × 10 ⁻⁶ зерен ) (около 1/3000 веса небольшой песчинки ) с активностью 1 микрокюри (37 кБк ). Некоторые старые промышленные детекторы дыма (в частности, производства Pyrotronics Corporation) могут содержать до 80 микрокюри (3000 кБк). Сумма ²⁴¹
Являюсь
медленно убывает по мере распада на нептуний-237 ( ²³⁷
Например
), другой трансурановый элемент с гораздо более длительным периодом полураспада (около 2,14 миллиона лет ). Излучаемые альфа-частицы проходят через ионизационную камеру , заполненное воздухом пространство между двумя электродами , которое позволяет небольшому постоянному электрическому току проходить между пластинами конденсатора из-за излучения, ионизующего воздушное пространство между ними. Любой дым, попадающий в камеру, блокирует/поглощает свободное прохождение некоторых альфа-частиц и уменьшает ионизацию и, следовательно, вызывает падение тока. Схема сигнализации обнаруживает это падение тока и в результате вызывает звуковой сигнал пьезоэлектрического зуммера. По сравнению с альтернативным оптическим детектором дыма ионизационный детектор дыма дешевле и может обнаруживать частицы, которые слишком малы, чтобы вызвать значительное рассеяние света. Однако он более склонен к ложным срабатываниям .

Производственный процесс

Процесс изготовления америция, используемого в кнопках детекторов дыма ионизационного типа, начинается с диоксида америция. ²⁴¹
Являюсь
ТО
₂ тщательно смешивается с золотом, формируется в брикет и плавится под давлением и при температуре более 1470 °F (800 °C). основу из серебра и лицевое покрытие из золота (или сплава золота или палладия На брикет наносят ) и герметизируют методом горячей ковки. Затем брикет проходит несколько стадий холодной прокатки для достижения желаемой толщины и уровня радиационного излучения. Окончательная толщина составляет около 0,008 дюйма (0,20 мм), при этом золотое покрытие составляет около одного процента толщины. Полученную полоску фольги шириной около 0,8 дюйма (20 мм) разрезают на секции длиной 39 дюймов (1 м). Источники вырублены из полоски фольги. Каждый диск диаметром около 0,2 дюйма (5,1 мм) устанавливается в металлический держатель, обычно изготовленный из алюминия. Держатель — это корпус, который составляет большую часть того, что видно на кнопке. Тонкий обод держателя загнут, чтобы полностью запечатать обрезанный край вокруг диска.

Производство электроэнергии РТГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор)

Как ²⁴¹
Являюсь
имеет примерно такой же период полураспада, что и ²³⁸
Мог
(432,2 года против 87 лет), он был предложен в качестве активного изотопа радиоизотопных термоэлектрических генераторов для использования в космических кораблях. Несмотря на то, что америций-241 производит меньше тепла и электричества, чем плутоний-238 (выходная мощность составляет 114,7 милливатт на грамм [3,25 ватт на унцию] для ²⁴¹
Являюсь
против 570 мВт/г [16 Вт/унция] для ²³⁸
Мог
) и его излучение представляет большую угрозу для людей из-за гамма- и нейтронного излучения, оно имеет преимущества для длительных миссий благодаря значительно более длительному периоду полураспада. Европейское космическое агентство работает над ритэгами на основе америция-241 для своих космических зондов. в результате глобальной нехватки плутония-238 и легкого доступа к америцию-241 в Европе в результате переработки ядерных отходов.

Его требования к защите в РИТЭГ являются вторыми по величине из всех возможных изотопов: только ²³⁸
Мог
требуется меньше. Преимущество перед ²³⁸
Мог
заключается в том, что он производится как ядерные отходы и почти изотопно чист. Прототипные конструкции ²⁴¹
Являюсь
РИТЭГи рассчитывают на 2–2,2 Вт _э /кг для конструкции РИТЭГ 5–50 Вт _э , т.е. ²⁴¹
Являюсь
РИТЭГи на паритете с ²³⁸
Мог
Ритэги в этом диапазоне мощностей, поскольку подавляющую часть массы РИТЭГ составляют не изотопы, а термоэлектрики, радиаторы и масса удержания изотопов.

Источник нейтронов

Оксиды ²⁴¹
Являюсь
Спрессованные с бериллием могут быть очень эффективными источниками нейтронов , поскольку они испускают альфа-частицы при радиоактивном распаде :

$\mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}+\ \gamma ~59.5~keV}$

Здесь америций выступает в качестве источника альфа-излучения, а бериллий производит нейтроны благодаря своему большому сечению ядерной реакции (α,n):

${\textstyle \mathrm {^{9}_{4}Be\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}\longrightarrow \ _{\ 6}^{12}C\ +\ _{0}^{1}n\ +\ \gamma } }$

Наиболее широкое использование ²⁴¹
Являюсь
Источником нейтронов является нейтронный зонд – устройство, используемое для измерения количества воды, присутствующей в почве, а также влажности/плотности для контроля качества при строительстве автомагистралей. ²⁴¹
Являюсь
Источники нейтронов также используются при каротаже скважин, а также в нейтронной радиографии , томографии и других радиохимических исследованиях.

Производство других элементов

Диаграмма, показывающая актиниды, их распад и превращения.

Америций-241 иногда используется в качестве исходного материала для производства других трансурановых элементов и трансактинидов – например, нейтронная бомбардировка ²⁴¹
Являюсь
урожайность ²⁴²
Являюсь
:

$\mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am}$

Отсюда 82,7% ²⁴²
Являюсь
распадается на ²⁴²
См
и 17,3% к ²⁴²
Мог
:

82.7% → $\mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm}$

17.3% → $\mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{+}}}\ _{\ 94}^{242}Pu}$

В ядерном реакторе, ²⁴²
Являюсь
также преобразуется путем захвата нейтронов в ²⁴³
Являюсь
и ²⁴⁴
Являюсь
, который при β-распаде превращается в ²⁴²
См
:

$\mathrm {^{242}_{\ 95}Am{\xrightarrow {(n,\gamma )}}~_{\ 95}^{243}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{244}Am\ {\xrightarrow[{10.1\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{244}Cm}$

Облучение ²⁴¹
Являюсь
к ¹²
С
или ²²
Ne
ионы дают изотопы ²⁵³
Является
( эйнштейний ) или ²⁶³
ДБ
( дубний ) соответственно. Кроме того, элемент берклий ( ²⁴³
Бк
изотоп) впервые был намеренно произведен и идентифицирован путем бомбардировки ²⁴¹
Являюсь
с альфа-частицами в 1949 году той же группой из Беркли с использованием того же 60-дюймового (1500 мм) циклотрона, который использовался во многих предыдущих экспериментах.

Спектрометр

Америций-241 использовался в качестве портативного источника гамма-лучей и альфа-частиц для ряда медицинских и промышленных целей. Гамма-излучение с энергией 59,5409 кэВ (9,53950 фДж) от ²⁴¹
Являюсь
В таких источниках может использоваться для косвенного анализа материалов в рентгенографии и рентгенофлуоресцентной спектроскопии, а также для контроля качества в стационарных ядерных плотномерах и ядерных плотномерах . Например, этот изотоп использовался для измерения толщины стекла при создании плоского стекла. Америций-241 также пригоден для калибровки спектрометров гамма-излучения в низкоэнергетическом диапазоне, поскольку его спектр состоит почти из одного пика и незначительного комптоновского континуума (интенсивность как минимум на три порядка ниже).

Лекарство

Гамма-лучи америция-241 использовались для пассивной диагностики функции щитовидной железы . Это медицинское приложение уже устарело. Гамма-лучи америция-241 могут обеспечить рентгенограммы приемлемого качества при времени экспозиции 10 минут. ²⁴¹
Являюсь
рентгенограммы проводились только экспериментально из-за длительного времени воздействия, которое увеличивает эффективную дозу на живые ткани. Сокращение продолжительности воздействия снижает вероятность событий ионизации, вызывающих повреждение клеток и ДНК, и является критическим компонентом принципа «время, расстояние, экранирование», используемого в радиационной защите .

Опасности

Америций-241 имеет те же общие опасности, что и другие изотопы америция: он чрезвычайно токсичен и радиоактивен. Хотя α-частицы можно остановить листом бумаги, проглатывание α-излучателей сопряжено с серьезными проблемами для здоровья. Америций и его изотопы также очень химически токсичны в виде токсичности тяжелых металлов. Всего 0,03 микрокюри (1,1 кБк) — максимально допустимая нагрузка на организм для ²⁴¹
Являюсь
.

Америций-241 представляет собой α-излучатель со слабым побочным продуктом γ-излучения. Безопасное обращение с америцием-241 требует знания и соблюдения надлежащих мер безопасности, поскольку без них это было бы чрезвычайно опасно. Его удельная константа дозы гамма-излучения составляет 3,14 x 10. ⁻¹ мР/ч/мКи или 8,48 x10 ⁻⁵ мЗв/час/МБк на расстоянии 1 метр (3 фута 3 дюйма).

При употреблении америций-241 выводится из организма в течение нескольких дней и только 0,05% всасывается в кровь. Отсюда примерно 45% его поступает в печень и 45% в кости, а оставшиеся 10% выводятся из организма. Поступление в печень зависит от человека и увеличивается с возрастом. В костях америций сначала откладывается на кортикальных и трабекулярных поверхностях и со временем медленно перераспределяется по кости. Биологический период полураспада ²⁴¹
Являюсь
составляет 50 лет в костях и 20 лет в печени, тогда как в половых железах (яичках и яичниках) он сохраняется постоянно; во всех этих органах америций способствует образованию раковых клеток в результате своей радиоактивности.

Контейнер с америцием-241 в детекторе дыма.

Америций-241 часто попадает на свалки из выброшенных детекторов дыма . В большинстве юрисдикций правила, связанные с утилизацией детекторов дыма, смягчены. В США «радиоактивный бойскаут» Дэвид Хан смог сконцентрировать америций-241 из детекторов дыма после того, как ему удалось купить сотню из них по остаточным ценам, а также украсть несколько. Было несколько случаев воздействия америция-241, худшим из которых был случай с Гарольдом Маккласки , который в возрасте 64 лет подвергся воздействию америция-241, в 500 раз превышающему профессиональную норму, в результате взрыва в его лаборатории. . Маккласки умер в возрасте 75 лет не в результате облучения, а от сердечного заболевания , которое у него было до аварии. Америций-241 также был обнаружен в океанах в результате испытаний ядерного оружия, проведенных различными странами.

См. также

• Изотопы америция